用於工業電源指示的LED驅動器

作者：ADI 傑出工程師 Reinhardt Wagner

摘要

本文介紹了一種簡單精巧的解決方案，主要用於驅動LED，以在系統通電/斷電的情況下提供視覺回饋。該電路由電阻和小型晶片組成，儘管該晶片原本並非用於此目的，但其取代了傳統解決方案中的眾多元件。該電路不僅獨立運行且功耗低，同時具備卓越的抗誤接線穩定性，非常適合用於工業及類似系統。

簡介

工業控制系統普遍採用24 V DC作為現場電源電壓，通常由設備（例如控制器主機以及I/O和通訊模組）上的LED訊號指示電源電壓的有無。對於可編程邏輯控制器(PLC)、分散式控制系統(DCS)控制器、電源單元、感測器和執行器等工業系統/子系統而言，LED電源指示燈有助於縮短安裝、維護和停機時間。當滿足規定的條件時，例如電壓處於所需的工作電源電壓範圍內，電源LED應該亮起。儘管概念上很簡單，但實際實現卻頗具挑戰。電源LED需要具有滯回的電壓比較器，能夠自行供電，並且可以持續驅動LED。

此類電路的其他要求包括：

低功耗
當電源電壓低於最低工作電壓時，LED燈必須關閉
光強度應與電源電壓無關
電路應能承受過電壓
抗誤接線穩定性卓越，例如可以因應極性接反情況下遇到的負電壓

電路雖然簡單，但其性能往往會受到元件特性、溫度變化以及電壓波動的明顯影響。

背景知識

該LED驅動電路基於對一款工業數位輸入晶片的重新利用，實現了與其最初預期應用不同的功能。工業輸入常見於工業控制系統中，基於24 V邏輯，具有明確規定的輸入電流/電壓特性和定義的輸入閾值電壓。對於常見的3型工業輸入，在最大輸入高閾值電壓11 V時，灌電流輸入（有時也稱為p型輸入）的下拉電流要求大於2.0 mA。為了儘量降低功耗，如今的數位輸入電路會限制輸入電流，將其嚴格調節到略高於2.0 mA限值的水準。

構想

注意到2.0 mA與常見的LED驅動電流一致，並且工業數位輸入具有明確定義的開關閾值，我們不禁要問：像 MAX22191如此的單通道數位輸入晶片是否適合電源監控和LED驅動應用？這款工業輸入元件主要是針對透過其OUT接腳驅動光電隔離器而設計。圖1為建議的應用電路。REXT為一個電流設定電阻，能夠在2.0 mA至2.6 mA範圍內調節OUT電流。

Figure 1. Supply monitoring LED driver. — 圖1.電源監控LED驅動器

內部電流源的容差為±12.5％（涵蓋溫度、輸入電壓和元件間的差異），進而確保了低功耗特性，並且光強度隨電源電壓的變化幾乎可以忽略不計。電流源額定OUT輸出順從電壓為5.5 V，因此能驅動大多數現代LED。該元件的電源電流為110 µA（典型值），進一步保證了整體解決方案的低功耗表現。

如圖2所示，LED電流在9 V（典型值）時迅速導通，在8 V（典型值）時關斷，兩者之間存在1 V的滯回電壓。具體的最大導通和最小關斷閾值電壓，請參閱MAX22191產品手冊。如果需要更高的閾值電壓，可以將一個電阻RIN與IN輸入串聯，如圖3所示。I_IN值的計算公式為：I_IN = (閾值電壓增量)/I_IN。

如圖2所示，在導通狀態下，LED電流不隨輸入電壓的變化而變化。這與使用簡單的雙極/MOS電晶體驅動LED形成對比，由於電晶體的爾利(Early)電壓，其電流-電壓依賴性明顯更大。

Figure 2. LED current vs. supply voltage. — 圖2.LED電流與電源電壓的關係

LED控制

針對需要在邏輯控制下打開/關閉LED的應用場景，可以方便地使用TEST輸入，如圖3所示。此電路支援實現一些協助工具，例如上電延遲、閃爍或其他狀態回饋。

Figure 3. Circuit with on/off control and increased threshold voltage. — 圖3.具有開/關控制和更高閾值電壓的電路

穩健性

該解決方案的額定工作溫度範圍為-40℃至+125℃。IN電源電壓能夠耐受-70 V至+60 V的寬電壓範圍，這為湧浪保護和因應誤接線提供了充足的餘地。在反向連接的情況下，如果輸入電壓為負，電路的輸入電流則將降低至1 µA。

結論

透過本文可了解如何透過如MAX22191來簡化LED電源指示應用的設計，藉由其SOT23封裝和低功耗電流設定訂，更可進一步縮小電阻解決方案的尺寸。